松散地层密闭环保取心技术

苏洋

中国石油长城钻探工程技术研究院

大港港西、港东油田目前均已进入特高含水开发阶段，油层水淹加剧，剩余油分散，挖潜难度加大。针对油田开发存在问题，在港西、港东油田分别部署X9-9-10密闭取心井和GX4-23密闭取心井，用于进行特高含水阶段剩余油分布规律描述以及不同驱替介质下储层、油藏特征研究。大港港西油田断层发育，构造形态平缓破碎，是典型的复杂断块油藏，主要开采层系为上第三系明化镇组和馆陶组，油层埋藏深度600～1 450 m；港东油田一区位于北大港构造带，油藏类型为断鼻构造，主力油层是明化镇组下段明三层，油层埋藏深度为1 400～1 600 m［1-2］。由于港西、港东油田均属于典型的高孔高渗疏松砂岩油藏，在前期试取过程中，X9-9-10井和GX4-23井取心收获率分别只有78.3%和56.1%，密闭率分别只有66.6%和58%，且随着国家环保要求的不断提高，传统密闭取心作业中不符合环保要求的问题也逐渐凸显出来，无法满足钻井现场安全、环保的作业要求。为既能提高取心收获率，又能保证密闭取心作业的高效和环保，笔者结合油田地质特点和传统密闭取心工艺存在的问题，通过优化内筒结构，改进密闭液处理工艺，制定详细的密闭取心工艺措施，形成了适用于高孔高渗疏松砂岩油藏的松散地层密闭环保取心技术，优质高效地完成了X9-9-10井和GX4-23井的密闭取心作业。

1 技术难点

(1)港西、港东油田地层胶结性差，岩性疏松，在钻进过程中岩心极易被钻井液冲散而无法进筒，且疏松砂岩岩心进筒后在低围压下易膨胀破碎，堵心几率较大，取心收获率很难保证［3-5］。

(2)港西、港东油田目前均已进入特高含水开发阶段，油层水淹加剧，井壁稳定性差，且密闭取心结束后通常不循环钻井液，连续取心作业下钻遇阻频繁，井眼处理难度增大［6］。

(3)为防止岩心结构被破坏，传统松散地层密闭取心作业时一般在内筒当中加装PVC衬管，出心时需将PVC衬管连同岩心一起抽出，以确保岩心完整。在进行出心作业时，需要将PVC衬管从内筒中抽出，此环节密闭液残留、污染问题较为严重，并且如果取心作业在冬季进行，密闭液在低温条件下黏度增大，极易导致PVC衬管与内筒粘连而无法抽出，严重拖延施工进度，造成空井时间过长。

(4)取心井周边分布注水井，地层水侵严重，返出钻井液密度变低，空井时间过长易增大井控风险。在试取期间，由于出心进度缓慢，空井时间过长，X9-9-10井曾出现溢流险情。

2 主要取心工具

2.1 液力加压式取心工具

针对港西、港东油田疏松砂岩地层特点和取心难点，采用了长城钻探公司自主研制的GW194-115M型松散地层密闭取心工具，工具外径194 mm，所取岩心直径115 mm，单次可取岩心5 m。该型取心工具主要由加压接头、加压活塞、定位接头、悬挂接头、外筒总成、内筒、岩心爪、取心钻头及触压活塞组成(图1)。内筒由3只悬挂销钉悬挂在定位接头，剪断悬挂销钉需静负荷剪切力120 kN。割心方式为液力加压式，其原理是：割心时从钻杆处投入加压钢球并开泵送球，钢球落座后堵住加压活塞的流通通道进行憋压，依靠液压剪断销钉并推动内筒下行，一把抓岩心爪沿钻头内锥面收缩割断岩心。液力加压式取心工具的优点：钢球落座后居中受力，不受井斜影响，剪切力大，割心成功率高。

图1 取心工具结构Fig. 1 Structure of coring tool

2.2 低冲蚀取心钻头

在松散地层取心，排量是影响取心收获率的关键因素，排量的调节应当做到精细、可控。然而现场钻井设备往往存在不能对排量进行无级变速调节的弊端，只能通过拆凡尔和更换泥浆泵缸套来粗略调整，无法使取心排量达到最优，这对松散地层取心作业极为不利。针对这一问题，设计采用了一种取心排量适应范围较广的低冲蚀取心钻头，以防止取心排量不合适造成的岩心丢失。该型取心钻头具有以下技术特点：(1)冠部形状为浅锥形，6刀翼，大切削片低密度布齿，适用于松软地层取心钻进；(2)设计为直向水眼、侧向水眼和分水U型槽相结合的水力结构(图2)，直向水眼用于清洗井底岩屑，侧向水眼用于分流钻井液，减少直向水眼的水力能量，U型槽使钻井液更有利于从水眼排出，此种设计最大程度地减少了直向水眼对岩心的直接冲蚀和搅散作用，解决了疏松砂岩油藏岩心易冲蚀、取心收获率低的问题。

图2 取心钻头结构Fig. 2 Structure of coring bit

2.3 加压式铝合金内筒总成

在前期试取过程中，采用了PVC衬管与钢制内筒相结合的内筒结构，出心时需将PVC衬管抽出，在抽出过程中会有较多密闭液被带出内筒造成环境污染，并且在低温条件下，密闭液黏度增大导致衬管抽出困难，作业效率低下，增大空井安全隐患。为解决这一问题，对内筒总成进行了优化：(1)采用铝合金内筒总成取代PVC衬管加钢制内筒组合；(2)在螺纹处等薄弱环节对管壁进行加厚，使其抗压强度满足割心要求；(3)内筒主体部分采用岩心爪和铝合金内筒直连的方式，实现了内筒结构的简化。

该型内筒具有以下技术特点：(1)耐腐蚀，屈服强度505 MPa，具有强度大，摩擦因数低的优点，可代替钢制内筒向岩心爪传递割心压力，并可代替PVC衬管减少岩心进筒阻力；(2)出心后作为整体直接切割，省去传统出心工艺过程中更换岩心爪和抽取衬管环节，提高作业效率的同时也避免了密闭液残留和污染；(3)采用8爪式全封闭岩心爪(如图3所示)，闭合度好，穿透力强，适用地层范围广。

图3 全封闭岩心爪Fig. 3 Completely sealed core catcher

3 环保密闭取心工艺

3.1 低毒、环保型密闭液

密闭取心时，随着岩心进入内筒，密闭液被等体积置换排出，并及时在岩心表面形成一层保护膜，进而起到保护岩心不被钻井液侵入和污染的作用［7］。大港油田明化镇组埋深较浅，砂岩渗透率高，根据这一特点，配制了一种氯化石蜡基密闭液，并以膨润土为固相封堵剂，用以堵塞岩心表面孔隙，防止钻井液的渗透［8］。配制过程严格控制氯含量，并进行除味处理，使其达到低毒和环保的要求，同时也具有性能稳定、耐高温、密闭效果好的特点［9］。该型密闭液使用温度范围在135 ℃以内，适用于浅井取心作业，基本性能见表1。

表1 密闭液基本性能Table 1 Basic properties of sealing fluid

3.2 密闭液水浴加热法

密闭液在低温时黏度大，流动性差，冬季施工时，在灌入内筒前必须对其进行加热处理。松散地层取心井深较浅，起下钻时间窗口短，加热时间不充足，较为落后的密闭液加热方法(如火烤、蒸汽加热)安全性差，效率低，影响灌装效率和密闭效果。为此，研制了密闭液水浴加热法，采用电加热装置对密闭液进行水浴加热，具有提前预热、控温、保温功能，解决了浅井取心作业中因加热时间短导致的密闭液加热不充分，灌装困难问题。

3.3 密闭液回收装置

在进行出心作业时，为保护岩心完整，需要将岩心连同内筒一起切割保存，该环节会有残留的密闭液从内筒中流出，应及时进行回收。密闭液回收装置可用于清洗、标记、切割内筒和岩心，并对切割过程中流出的密闭液及产生的金属粉尘进行回收处理，实现岩心地面处理流水线作业，提高作业效率和防止环境污染。

3.4 密闭取心工艺措施

根据取心地层情况和密闭取心技术特点，在井眼准备和取心钻进等环节制定了以下技术措施。

(1)液力加压式取心工具割心时需要投入直径45 mm钢球，取心作业前应进行试投球操作，确保钢球能顺利通过水龙带和井下钻具。

(2)灌装密闭液时应确保内筒完全灌满，否则内筒中残留空气，下入井底后产生强大负压，剪断密封活塞销钉后钻井液迅速涌入内筒，造成密闭液污染。

(3)每次取心作业前，起钻至最后一柱时应将钻井液液面控制在距井口10 m左右，不能完全灌满，以避免再次组装工具时钻井液提前进入取心工具内筒，对密闭液造成先期污染。

(4)取心工具下入离井底3 m左右，应先小排量(6～8 L/s)打通水眼，然后缓慢增加至正常排量循环，清洗井底沉砂。在循环结束后再进行探底操作，避免探底时剪切销钉剪断后钻井液提前进入内筒。

(5)如排量不能无级变速调节，应提前预备一台单凡尔泵用于打通水眼。打通水眼时要遵循“分多次，缓慢开”的原则［10］，防止开泵瞬间泵压过高剪断悬挂销钉，造成岩心爪提前收缩。

(6)松散地层取心应采用低转速、大钻压、小排量的技术措施。具体参数为：转速40～50 r/min，钻压50～70 kN，排量8～15 L/s，并根据不同钻进阶段和实际情况及时调整取心参数。

(7)取心地层砂岩渗透率高，应密切观察钻井液性能，控制钻井液密度及滤失量，防止井底压差过大和钻井液性能不达标造成钻井液侵入岩心，影响密闭效果。

(8)连续取心次数较多时井底存在大量沉砂，应在中途更换常规钻具组合进行通井，并使用高黏钻井液进行循环处理，携带沉砂，净化井眼［11］。

4 现场应用

2017年底，X9-9-10井和GX4-23井同时在明化镇组和馆陶组进行密闭取心作业。在前期试取过程中，采用了传统密闭取心工艺，由于冬季施工气温较低，密闭液粘连导致PVC衬管无法抽出，后对内筒进行二次加热才将衬管抽出，该环节对衬管和岩心都造成了破坏，也造成了密闭液残留和污染。X9-9-10井第1次试取过程中由于钻遇极度疏松地层，出现钻进放空现象(经分析有可能是地层长期注水造成)，导致收获率只有57.3%；GX4-23井试取过程中发生堵心并造成PVC衬管破裂，收获率只有56.1%。现场采用蒸汽对密闭液进行加热，由于加热效率低且加热不均，密闭液流动性差，无法将内筒完全灌满，下入井底后钻井液涌入内筒，造成密闭液先期污染，取心密闭率较低，具体试取结果见表2。

针对试取过程中出现的问题，技术人员及时研究整改，在后期正式取心作业中采用铝合金内筒总成配合密闭环保取心工艺，成功解决了试取过程中出心工艺复杂、作业效率低下、密闭液残留等问题，平均单筒取心作业时间由之前的0.75 d/筒降低至0.45 d/筒，取得了良好的应用效果，取心数据见表3。

密闭取心过程中，低冲蚀取心钻头综合性能表现良好，X9-9-10井在后期14筒次取心过程中平均取心收获率达到99.5%。GX4-23井进入馆陶组后因井眼条件复杂，处理井眼过程中导致销钉提前剪断，取心失败1筒次，其余18筒次平均取心收获率达到94.5%，表明低冲蚀取心钻头对于保证疏松砂岩地层取心收获率有很大帮助。

表2 试取取心数据Table 2 Trial coring data

表3 大港油田2口井取心数据Table 3 Coring data of 2 wells in Dagang Oilfield

5 结论

(1)松散地层密闭环保取心技术有效解决了高孔高渗疏松砂岩油藏取心收获率低及密闭取心工艺复杂问题，可大幅提高密闭取心作业效率，节约钻井成本，同时对于防止环境污染，降低井控风险也具有重要意义，值得进一步推广应用。

(2)低冲蚀取心钻头对疏松砂岩地层有很好的适应性，可有效减少钻井液对岩心的冲蚀和搅散作用。加压式铝合金内筒总成实现了内筒结构和出心工艺的简化，并能降低岩心进筒阻力，有助于保证取心收获率和岩心质量。

(3)低毒环保型氯化石蜡基密闭液对环境污染小，性能稳定，可保证高渗透率砂岩地层取心密闭率。制定安全、高效、环保的密闭液处理工艺对于提高作业效率，防止环境污染至关重要。

(4)在老油区进行钻井取心作业，应加强对周边注水井的动态调研，取心作业过程中应尽量缩短空井时间，降低井控风险。